WO2010084276A1 - Procede d'obtention d'une fraction enrichie en esters d'acides gras fonctionnalises a partir de graines de plantes oleagineuses - Google Patents

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fatty acid
seeds
esters
acid esters
alcohol
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Jean-Luc Dubois
Antoine Piccirilli
Jacques Barbier
Julien Magne
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Arkema France
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    • Y02P30/20—Technologies relating to oil refining and petrochemical industry using bio-feedstock

Definitions

  • the present invention relates to the field of oleochemistry. More particularly, the invention relates to a process for the selective extraction of functionalized fatty acid esters from seeds of oleaginous plants.
  • Oleaginous plants contain many fatty acids, the most common of which are: palmitic acid, stearic acid, oleic acid, linoleic acid, ⁇ nolenic acid, erucic acid, and so on.
  • fatty acids of oleaginous plants are also functionalised fatty acids including by means of one or more alcohol functions or an epoxide function. The best known are the following fatty acids:
  • - ricinoleic acid (12-hydroxy cis 9-octadecenoic acid), mainly present in castor oil (between 85 and 90%) extracted from castor beans (Ricinus conimunis); this hydroxy acid is also present at a content of about 18% in the oil extracted from seeds of Jatropha gossypiifolia or that of Hevea brasiliensis;
  • RECTIFIED SHEET (RULE 91) ISA / EP - Coronaric acid (9,10-epoxy-cis-octadec-12-enoic acid) present in sunflower oil (Chrysentemum), or at a content of about 91% in the seeds of Bernardia pulchella;
  • - vernolic acid cis-12,13-epoxyoleic acid
  • a content ranging from 60 to 75% in the oil extracted from the seeds of Euphorbia lagascae or plants of the genus Vernonia, as well as the hydrogenated homologues of these unsaturated fatty acids .
  • Oleaginous fatty acid esters are conventionally obtained by transesterification of the refined oil obtained from seeds by pressing followed by extraction with the aid of an organic solvent such as hexane or acetone.
  • the patent application EP 1 119 600 describes a process for producing fatty acid esters from oleaginous seeds, in an alcoholic medium optionally supplemented with another organic solvent, for example a ketone or an aliphatic hydrocarbon, in the presence of a basic catalyst. This method is advantageous because it makes it possible to reduce the manufacturing costs of fatty acid esters, and has very good yields in these products.
  • This technology is not simply transferable to the seeds of oleaginous plants whose extracted oils have levels of at least 10% of functionalized fatty acids, especially hydroxylated, such as ricinoleic acid or lesquerolic acid.
  • hydroxylated such as ricinoleic acid or lesquerolic acid.
  • Castor oil comprises glycerol triricinoleate as its main component.
  • Ricinoleic acid is a hydroxylated fatty acid.
  • No other known natural oil contains such a high proportion of hydroxylated fatty acids. It is this characteristic composition of glycerides that distinguishes castor oil from all other vegetable fats and oils and gives it its remarkable physical and chemical properties.
  • Castor oil non-drying, has the highest viscosity index and density among all natural oils. These properties are due in particular to the hydrogen bonds formed between the hydroxyl groups. Moreover, Methanol is much more fad in castor oil, but unfortunately glycerol too. It is these properties which impose on castor oil a very particular behavior during chemical reactions and which make the processes of transesterification of "ordinary" vegetable oils known can not simply be transposed to castor oil ( NB "ordinary oil” means non-functionalized oils extracted from oleaginous plants such as sunflower, rapeseed, soybean, peanut, olive, sesame, safflower, coconut, palm).
  • this process does not make it possible to selectively extract the functionalized fatty acid esters, in particular hydroxylated esters, from the mixture of fatty acid esters obtained by the transesterification reaction.
  • methyl ricinoleate In the manufacture of 11-amino undecanoic acid, methyl ricinoleate is subjected to thermal cracking in the gas phase. For this purpose, it must contain a minimum of glycerides, ie tri-, di- and mono-glycerides because these products are very difficult to vaporize, and often decompose before vaporization, which has the effect of lowering selectivity of cracking. Similarly, methyl ricinoleate must contain a minimum of ricinoleic acid, which is also difficult to vaporize.
  • US 7,112,229 discloses a process for obtaining fatty acid esters for biodiesel application.
  • the process is carried out from oil-rich oilseed plant seeds. This method comprises a preliminary step of conditioning the seeds, during which:
  • the seeds are shelled and cleaned with a vibrating sieve, the cleaned seeds are dried so as to reduce their moisture content to less than 0.5% by weight.
  • the dried seeds are introduced into a reactor with anhydrous alcohol; this heterogeneous mixture is converted into a homogeneous suspension by means of a stirrer. Only then is a basic catalyst introduced into the reactor. This reaction mixture is then heated for 30 to 90 minutes at a temperature of 30 to 78 ° C, resulting in the transesterification of the triglycerides to esters with a high conversion rate of between 98 and 100%.
  • the Applicant has carried out tests according to the conditions appearing in the single example described in this document, but has not succeeded in obtaining the same results (see Example 5 and the appended FIGS. 2 and 3). It can not therefore be considered that this technique is mastered by the skilled person at present.
  • the present invention proposes to remedy these drawbacks by means of a process which makes it possible to selectively extract the functionalized fatty acid esters.
  • functionalized fatty acid is meant in the context of the invention any fatty acid carrying in particular one or more alcohol functions or an epoxide function.
  • An object of the invention is thus to allow the production of a fraction enriched in functionalized fatty acid esters, in particular hydroxylated esters, the said fraction being particularly suitable for use as a raw material in the synthesis of intermediate chemicals such as 11-amino undecanoic acid.
  • Another object of the invention is to obtain these fatty acid esters functionalized directly from oleaginous seeds with high yields, so as to reduce their manufacturing cost.
  • the present invention relates to a process for selectively extracting fatty acid esters functionalized from seeds of oleaginous plants comprising: a) at least one step of extracting fatty acid esters consisting of the simultaneous introduction into a reactor containing said seeds, an anhydrous light alcohol, a basic catalyst and an extraction solvent immiscible with said light alcohol and wherein said functionalized fatty acid ester is not soluble, resulting in obtaining a mixture of esters and glycerol, and b) at least one step of selective extraction of the hydroxylated fatty acid esters by introduction into the reactor of said countercurrent extraction solvent of the light alcohol , resulting in obtaining an alcohol phase enriched in fatty acid esters of a glycerol phase and a cake.
  • This method makes it possible to obtain a concentrated fraction of functionalized fatty acid esters, hydroxylated or epoxidized, of a solvent phase containing the other nonfunctionalized fatty acid esters, directly from the seeds of oleaginous plants.
  • the functionalized fatty acid esters contemplated in the context of the invention are esters, in particular of plant origin, predominantly containing triglycerides of fatty acids.
  • the total content of functionalized fatty acids in the oil containing these esters should be at least 10% by weight.
  • Oleaginous plants are grown specifically for their high-fat oil-rich seeds or fruits from which food, energy or industrial oil is extracted.
  • Protein plants belong to the botanical group of legumes whose seeds are rich in proteins.
  • Oil-protein crops are legumes whose seeds also contain oil.
  • seeds of oleaginous plants is intended to mean, in particular, seeds of castor plants, alone or in admixture with seeds from at least one other oleaginous plant, olio-proteagineuse or protein, seeds or seed mixture producing an oil containing at least 10% by weight of ricinoleic acid. It is not beyond the scope of the invention when the seeds used in the process according to the invention come in whole or in part from genetically modified plants producing ricinoleic acid, alone or as a mixture with oleaginous plants which are possibly genetically modified. .
  • the object of the present invention is to provide a process for concentrating hydroxylated fatty acid ester with a fraction resulting from the transesterification carried out directly on the oilseed seeds.
  • the goal is to obtain a fraction enriched with ricinoleic acid ester.
  • a functionalized fatty acid ester hydroxylated or epoxidized
  • a reaction mixture comprising an anhydrous light alcohol, a basic catalyst and a extraction solvent immiscible with said light alcohol and wherein said functionalized fatty acid ester is not soluble.
  • said extraction solvent is introduced countercurrently with the light alcohol, simultaneously causing a phenomenon of extraction of the nonfunctionalized esters in the solvent section (or phase), and thus enrichment of the functionalized ester (s) ( s) in the alcohol cup.
  • the solvent is chosen in this case to be recovered and therefore has a boiling point low enough to be distilled.
  • oils rich in functionalized acids such as castor oil, lesquerella or dimorphética
  • methanol is soluble in oil.
  • an organic solvent cosolvent
  • the addition of an organic solvent (cosolvent) will promote here a heterogeneous medium, in order to encourage nonfunctionalized fatty acid esters to pass into the non-alcoholic phase and the fatty acid esters functionalized to stay in the alcoholic phase.
  • the method according to the invention therefore aims to cause a phase separation to enrich the alcoholic phase functionalized fatty acid ester and the solvent phase nonfunctionalized fatty acid ester.
  • the process for selectively extracting functionalized fatty acid esters or esters from oleaginous plant seeds comprises: a) at least one step of extracting the fatty acid esters consisting of the simultaneous introduction into a reactor containing said seeds, an anhydrous light alcohol, a basic catalyst and an extraction solvent immiscible with said light alcohol and wherein said hydroxylated fatty acid ester is not soluble, leading to obtaining a mixture of esters and glycerol, and b) at least one step of selective extraction of functionalized fatty acid esters or by introduction into the reactor of said countercurrent extraction solvent of light alcohol , resulting in obtaining an alcohol phase enriched in functionalized fatty acid esters, a solvent phase containing the other nonfunctionalized fatty acid esters, a glycerol phase and a cake.
  • the oleaginous plants are castor plants, and the hydroxylated fatty acid ester is the ricinoleic acid ester.
  • the seeds used in the process according to the invention have an acidity level of less than 2 mg KOH / g. Indeed, higher rates in free fatty acids in the seed used as raw material lead to the formation of soaps in basic medium.
  • the seeds are first subjected to a conditioning comprising a flattening step and optionally a drying step of the flattened seeds.
  • This conditioning is done on whole seeds. It comprises a first operation of flattening the seeds, optionally followed by a drying operation of the flattened seeds.
  • the objective of the seed conditioning is to make the oil as accessible as possible to alcohol, without, however, greatly affecting its mechanical strength. This avoids the formation of a paste and fines, respectively detrimental to the implementation of a continuous process and the final purification of the esters produced. Moreover, the conditioned seed must allow easy passage of the reaction fluid (alcohol mixture - basic catalyst) according to a simple phenomenon of percolation.
  • the fresh seeds are flattened on a mechanical flattener with smooth or fluted rollers.
  • the seeds thus flattened can be dried, for example in a thermoregulated ventilated oven or in a continuous belt dryer or rotary hot air.
  • the drying time and the temperature are chosen so as to obtain a decrease in the moisture content of the seeds at values of less than or equal to 2% by weight.
  • the drying is carried out rapidly after flattening, in less than one hour, preferably after 5 to 10 minutes, at a temperature sufficient to reduce the moisture content of the seeds to 2% by weight or less.
  • the residual moisture of the seed is determined by thermogravimetry.
  • the seed is ground beforehand, then the ground material obtained is dried at 105 ° C. in a thermobalance until the weight is stabilized.
  • the water content is expressed as a percentage of the raw material.
  • the seeds are not dried after flattening.
  • This is particularly suitable for extraction solvents having a high boiling point, such as kerdane, gas oil, kerosene (see Example 4.2).
  • the seed conditioning step further comprises a step of preheating the seeds, performed before the flattening operation. This preheating operation gives the seed greater plasticity and therefore a more effective crushing during flattening (gain at the contact surface, the rate of percolation of the alcohol and therefore its extractive capacity). It preferably takes place at a temperature of less than or equal to 100 ° C.
  • the conditioned or unconditioned seeds are subjected according to the process of the invention to a first step of extraction of the fatty acid esters, followed by a step of separating the hydroxylated fatty acid esters.
  • the seeds are placed in contact in a reactor with an anhydrous light alcohol, an alkaline catalyst and an extraction solvent, under conditions of temperature, agitation and duration sufficient to allow the extracting the triglycerides from the seeds and transesterification said triglycerides, resulting in obtaining a mixture comprising esters of fatty acids and glycerol, and a cake.
  • the extraction solvent is immiscible with said light alcohol and, on the other hand, said hydroxylated fatty acid ester is not or only slightly soluble in this solvent.
  • This step takes place simultaneously with the preceding step, and consists in introducing into the reactor of said countercurrent extraction solvent light alcohol, resulting in obtaining an alcohol-enriched phase esters of hydroxylated fatty acids, a solvent phase containing the other non-hydroxylated fatty acid esters, a glycerol phase and a cake.
  • the different phases can optionally be washed to achieve the desired technical characteristics.
  • the selective extraction process comprises at least one step a) of extraction and transesterification and at least one step b) of selective extraction of the ester or esters of hydroxylated fatty acid (s). Preferably, these steps are repeated at least twice.
  • the process comprises several consecutive stages of reaction, with withdrawal of the alcohol, (eliminated by partially by evaporation), separation of the glycerin produced, reinjection of alcohol and further trituration.
  • the extraction process is carried out by means of five consecutive reactors and thus comprises five extraction stages.
  • the installation shown in this figure comprises a series of five cascaded reactors. Seeds (G) feed Reactor 1 (R1). Fresh solvent is fed into the same reactor, as well as fresh alcohol and alcoholic solution from the next reaction stage. From this first reaction stage, a solid fraction (partially extracted seeds, Sl) and a liquid fraction are withdrawn. This last fraction is separated into 3 components: a glycerine fraction, an alcoholic fraction, a solvent-rich organic fraction. The solvent fraction is directed to the next reactor. The alcoholic fraction is directed to a separation unit (D3) for example by distillation to extract the hydroxylated fatty acid ester (EAH) and the alcohol which is sent to the storage and partly to each reaction stage.
  • D3 separation unit
  • EAH hydroxylated fatty acid ester
  • the separation of the different fractions can be done in different ways, including centrifugation, decantation and / or distillation.
  • the catalyst is neutralized before the step of separating the glycerine phase from the alcohol phase, and in this case, the catalyst is reinjected to the next stage.
  • the partially converted seeds are brought into contact with the alcoholic cup from the next stage (R3), the solvent fraction from the previous stage (R1), and optionally alcohol. fresh as well as catalyst.
  • a separation (S2) is carried out on the liquid fraction leaving the reactor. The separation of the glycerine fraction from the alcohol fraction is optional, and does not need to be performed at all reaction stages.
  • the reactor is fed with fresh alcohol, and a wet cake (T) is withdrawn and dried to recover the alcohol.
  • Fraction Solvent is isolated is directed to a separation unit (D2) for example by distillation to separate the solvent which is recycled and the vegetable oil ester (EHV).
  • the glycerine fractions are collected and distilled to recover the alcohol fraction that has dissolved therein.
  • a method of this type is operated against the current of alcohol and co-current of solvent, which allows to isolate enriched fractions of WASH on the one hand and depleted on the other hand.
  • the seeds are introduced into the reactor 2, the reactor 1 then serving as a finisher to improve the separation in the solvent and alcoholic phases.
  • the separation units D1, D2, D3 use heat pump technologies, for example by mechanical vapor recompression, or by an external heat pump.
  • the light alcohol used is a lower aliphatic alcohol such as methanol, ethanol, isopropanol and n-propanol and preferably is methanol.
  • the basic catalyst used in the process is chosen from the group: sodium hydroxide, alcoholic sodium hydroxide, solid sodium hydroxide, potassium hydroxide, alcoholic potassium hydroxide, solid potassium hydroxide, sodium or potassium methoxide, sodium or potassium ethylate, sodium propylate and sodium hydroxide. potassium, isopropylate of sodium and potassium.
  • extraction solvents mention may be made of: hexane, heptane, benzene, bicyclohexyl, cyclohexane, decalin, decane, hexane (Texsolve C), kerosene, kerdane, gas oil, kerosene , Methylcyclohexane, Texsolve S or S-66, Naphtha (Texsolve V), Skellite, Tetradecane, Texsolve (B, C, H, S, S-2, S-66, S-LO, V), CO 2 supercritical, propane or butane pressurized, natural solvents such as terpenes (limonene, alpha and beta pinene, etc.).
  • the extraction solvent has a high boiling point, greater than 100 ° C. or better still at 200 ° C., for example between 200 and 350 ° C.
  • the ricinoleic acid ester thus obtained is intended in particular for the preparation of 11-amino undecanoic acid, according to the following sequence of reactions: pyrolysis or cracking of the particularly methyl ester of ricinoleic acid, leading to the obtaining heptanal and methyl undecylenate; hydrolysis of methyl undecylenate leading to the production of undecylenic acid; hydrobromination of undecylenic acid leading to the production of 11-bromoundecanoic acid, and animation of 11-bromoundecanoic acid resulting in the production of 11-amino undecanoic acid.
  • the ricinoleic acid ester resulting from the process according to the invention may advantageously be used directly in the synthesis of 11-amino undecanoic acid.
  • an additional purification step may be necessary, before subjecting it to the pyrolysis reaction.
  • the 11-aminoundecanoic acid thus obtained is primarily intended for the synthesis by condensation of polyamide 11 or Rilsan ® 11.
  • non-functionalized acid esters obtained by the process according to the invention can be used as biodiesel.
  • the selective extraction process according to the invention has multiple advantages.
  • the process according to the invention makes it possible to solve simultaneously numerous problems related to the transesterification of castor oil.
  • This process advantageously makes it possible to pass directly from the seed to fatty acid esters, in particular ricinoleic acid, avoiding the steps of trituration, refining, purification and the production of by-products.
  • the ricinoleic acid esters obtained by the process according to the invention are particularly suitable for the preparation of 11-amino undecanoic acid, as mentioned above.
  • the process leads to the production of detoxified cakes, which can be handled safely by humans and can be used in animal feed without risk of poisoning for animals.
  • the ester fraction obtained from the mixture comprising esters of fatty acids and glycerol is particularly suitable for the manufacture of 11-amino undecanoic acid, a monomer used in the synthesis of polyamide 11.
  • the fact of starting from whole seeds allows:
  • Example 3 Reactive trituration test in the presence of a mixture of oleaginous seeds (according to step a) of the process according to the invention)
  • Example 4.1 Test in the presence of hexane and castor seed petals
  • Example 4.2 Test in the presence of a hydrocarbon solvent immiscible in methanol
  • a reactive trituration test of castor seeds (lot 3) was carried out in the presence of an insoluble solvent with methanol, Kerdane® supplied by ONYX, a fuel hydrocarbon cutter heavier than hexane. In this test castor seed was not dried after flattening.
  • the objective of this essay is to obtain on the one hand a cut enriched in methyl ricinoleate and on the other hand, a cut enriched in nonhydroxylated methyl esters can be used as such as fuel or diesel fuel (biodiesel).
  • the reactive trituration step is carried out in the presence of a methanol-Kerdane®-sodium hydroxide mixture (mass ratio 1/1 / 0.003) and undried castor seed petals after flattening.
  • Kerdane® and separated from the methanolic heavy phase, then mixed with methanol hydrated to 98% in a weight ratio of 1/1.
  • This new two-phase mixture is sent to the castor seed petal bed to produce a second miscella.
  • the latter is again decanted: the heavy phase methanol is combined with the era methanol phase.
  • the second light phase is again mixed with 98% methanol still in a 1/1 mass ratio to be sent in turn to the petal bed.
  • the third recovered miscella is then decanted.
  • the methanol phase joins the pool of heavy phases, while the Kerdane® phase is as before again sent to the petal bed after being mixed with 98% methanol (1/1 mass ratio).
  • the fourth miscella obtained is decanted and stored while the heavy phase joins the pool of methanolic phases.
  • the petal bed is finally washed with 98% methanol hydrate in a methanol / petal mass ratio of 1/1. All the methanolic miscella joins the pool of heavy phases, which will be treated to extract the purified fatty esters.
  • methyl ricinoleate is extracted with a high yield (83.6%). It is found that in the presence of Kerdane, water is not a poison of the transesterification reaction. Similarly, the use of a co-solvent immiscible with methanol allows to extract with good selectivity the non-hydroxylated fatty esters, which are concentrated in the light phase. The low yield of glycerine and the low residual fat content of the cake indicate an effective transformation of the fat into esters. Finally, the use of Kerdane® makes it possible to directly obtain a diesel cut with 10% additive in methyl esters.
  • esters of the light phase are depleted of ricinoleic acid and rich in non-hydroxylated fatty acids relative to the oil previously contained in the castor seed. Their residual monoglyceride content remains low.
  • the process can be easily improved by using less or no Kerdane® during the steps of washing the petal bed, which will have the effect of limiting the content of methyl ricinoleate in the light phase.
  • test was reproduced as described in US 7.112.229. As the catalyst was used 96% sodium ethoxide. Also, the ethylate titer not being indicated, it was considered that the process diagram illustrated in Figure 1 of this document expressed an ethylate equivalent value, or 40 g. Similarly, the test was reproduced in the presence of a seed dried at 0.5% moisture.
  • Figures 2 and 3 attached and Table 12 show the material balances obtained.
  • Figure 1 shows the balance sheet according to US 7.112.229.
  • Figure 2 shows the balance sheet according to Comparative Example 5.
  • Figures 2 and 3 and Table 12 show a very large difference in the masses of products and co-products circulating.
  • the dry extract of miscella is monophasic and sweet (more viscous than an ethyl ester). No settling of glycerine is obtained.
  • the dry extract of miscella is lipidically constituted only triglycerides not converted into esters.
  • the ash content indicates that sodium is poorly present in the miscella and not in the form of soaps as might be supposed. Sodium must probably be trapped in the cake. Finally, the chromatographic analysis did not detect the presence of esters.

Abstract

La présente invention concerne un procédé d'extraction sélective d'esters d'acides gras fonctionnalisés, à partir de graines de plantes oléagineuses. Le procédé selon l'invention comprend: a) au moins une étape d'extraction des esters d'acides gras consistant en l'introduction simultanée dans un réacteur contenant lesdites graines, d'un alcool léger anhydre, d'un catalyseur basique et d'un solvant d'extraction non miscible avec ledit alcool léger et dans lequel ledit ester d'acide gras fonctionnalisé n'est pas soluble, conduisant à l'obtention d'un mélange d'esters et de glycérol, et b) au moins une étape d'extraction sélective des esters d'acides gras hydroxylés par introduction dans le réacteur dudit solvant d'extraction à contre-courant de l'alcool léger, conduisant à l'obtention d'une phase alcool enrichie en esters d'acides gras d'une phase glycérol et d'un tourteau. Ce procédé permet d'obtenir une fraction concentrée en esters d'acides gras fonctionnalisés, hydroxylés ou époxydés, d'une phase solvant contenant les autres esters d'acides gras non fonctionnalisés, directement à partir des graines de plantes oléagineuses.

Description

PROCEDE D'OBTENTION D'UNE FRACTION ENRICHIE
EN ESTERS D'ACIDES GRAS FONCTIONNALISES A PARTIR DE GRAINES DE PLANTES OLEAGINEUSES
La présente invention concerne le domaine de l'oléochimie. Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé d'extraction sélective d'esters d'acides gras fonctionnalisés, à partir de graines de plantes oléagineuses.
Les plantes oléagineuses renferment de nombreux acides gras, dont les plus répandus sont : l'acide palmitique, l'acide stéarique, l'acide oléique, l'acide linoléique, l'acide ϋnolénique, l'acide érucique, etc. Parmi les acides gras des plantes oléagineuses se trouvent également des acides gras fonctionnalisés notamment au moyen d'une ou plusieurs fonctions alcool ou d'une fonction époxyde. Les plus connus sont les acides gras suivants :
- acide ricinoléique (acide 12-hydroxy cis 9-octadécénoïque), présent majoritairement dans l'huile de ricin (entre 85 et 90%) extraite de graines de ricin (Ricinus conimunis) ; cet hydroxyacide est présent également à une teneur d'environ 18% dans l'huile extraite de graines de Jatropha gossypiifolia ou dans celle de Hevea brasiliensis ;
- acide lesquérolique (acide 14-hydroxy-11-eicosanoïque) extrait de graines provenant d'espèces du genre Lesquerrella à une teneur d'environ 70% dans l'huile extraite de graines provenant d'espèces du genre Lesquerrella, dans lesquelles se trouvent également deux autres hydroxyacides : l'acide densipolique (acide 12-hydroxy-9,15-octadécadiènoïque) et l'acide auricolique (acide 14-hydroxy-11 ,17-éicosadiènoïque) ; - acide béta-dimorphécolique (9-OH-18:2Δ10fraπs'12?rans) présent dans l'huile extraite de graines de Dimorphoteca pluvialis, et son isomère l'acide coriolique (acide 13-hydroxy-9,11-octadécadiènoïque) présent à une teneur d'environ 70% dans l'huile extraite des graines de Coriaria myrtifolia ;
- acide kamlolénique (acide 18-hydroxy-9,11,13-octadécathénoïque) présent dans l'huile extraite des graines de l'arbre Kamala (Mallotus phillipinensis) ;
FEUILLE RECTIFIEE (REGLE 91) ISA/ EP - acide coronarique (acide 9,10-époxy-cis -octadéc-12- ènoïque) présent dans l'huile de tournesol (Chrysentemum), ou à une teneur d'environ 91% dans les graines de Bernardia pulchella ;
- acide vernolique (acide cis-12,13-époxyoléique) présent à une teneur allant de 60 à 75% dans l'huile extraite des graines de Euphorbia lagascae ou de plantes du genre Vernonia, ainsi que les homologues hydrogénés de ces acides gras insaturés.
Les esters d'acides gras oléagineux sont classiquement obtenus par transéstérifïcation de l'huile raffinée obtenue à partir de graines par pression suivie d'une extraction à l'aide d'un solvant organique comme l'hexane ou l'acétone.
Cet ensemble de procédés est laborieux, car comportant de nombreuses étapes de transformation physico-chimiques. Par ailleurs, les esters d'acides gras hydroxylés ainsi obtenus ont un coût de fabrication élevé.
La demande de brevet EP 1 119 600 décrit un procédé de fabrication d'esters d'acides gras à partir de graines oléagineuses, en milieu alcoolique éventuellement additionné d'un autre solvant organique, par exemple une cétone ou un hydrocarbure aliphatique, en présence d'un catalyseur basique. Ce procédé est avantageux, car il permet de réduire les coûts de fabrication des esters d'acides gras, et présente de très bons rendements en ces produits.
Toutefois, ce procédé présente les inconvénients i) et ii) suivants : i) Cette technologie n'est pas simplement transposable aux graines de plantes oléagineuses dont les huiles extraites ont des teneurs d'au moins 10% en acides gras fonctionnalisés, notamment hydroxylés, tels que l'acide ricinoléique ou l'acide lesquérolique. Une de ces plantes est le ricin. L'huile de ricin comprend comme composant principal le triricinoléate de glycérol. L'acide ricinoléique est un acide gras hydroxylé. Aucune autre huile naturelle connue ne contient une proportion aussi élevée d'acides gras hydroxylés. C'est cette composition caractéristique des glycérides qui distingue l'huile de ricin de toutes autres graisses et huiles végétales et c'est elle qui lui donne ses propriétés physiques et chimiques remarquables. L'huile de ricin, non siccative, possède ainsi l'indice de viscosité et la densité les plus élevés entre toutes les huiles naturelles. Ces propriétés sont dues notamment aux liaisons hydrogène formées entre les groupes hydroxylés. Par ailleurs, le méthanol est beaucoup plus so lubie dans l'huile de ricin, mais malheureusement le glycérol aussi. Ce sont ces propriétés qui imposent à l'huile de ricin un comportement très particulier lors des réactions chimiques et qui font que les procédés de transestérifîcation d'huiles végétales « ordinaires » connus ne puissent pas tout simplement être transposés à l'huile de ricin (N.B. par « huile ordinaire » on entend les huiles non fonctionnalisées extraites de plantes oléagineuses telles que le tournesol, le colza, le soja, l'arachide, l'olivier, le sésame, le carthame, le coprah, le palme). ii) En outre, ce procédé ne permet pas d'extraire sélectivement les esters d'acides gras fonctionnalisés, notamment hydroxylés, du mélange d'esters d'acides gras obtenus par la réaction de transestérifîcation. Or, il est souhaitable de disposer d'une fraction enrichie en esters d'acides gras hydroxylés, contenant par exemple du ricinoléate de méthyle (ou 12-hydroxy cis 9-octadécénoate de méthyle), car une telle fraction représente le point de départ dans la fabrication d'acide 11-amino undécanoïque, monomère constitutif du Rilsan® 11 , qui est un polyamide aux propriétés physiques exceptionnelles, développé par la demanderesse. Lors de la fabrication de l'acide 11-amino undécanoïque, le ricinoléate de méthyle est amené à subir un craquage thermique en phase gazeuse. A cet effet, il doit contenir un minimum de glycérides, c'est à dire de tri-, di- et mono-glycérides car ces produits sont très difficiles à vaporiser, et souvent se décomposent avant vaporisation, ce qui a pour conséquence de baisser la sélectivité du craquage. De même, le ricinoléate de méthyle doit contenir un minimum d'acide ricinoléique, lui aussi difficile à vaporiser.
Le document US 7 112 229 décrit un procédé d'obtention d'esters d'acides gras pour une application biodiesel. Le procédé est mis en œuvre à partir de graines de plantes oléagineuses riches en huiles. Ce procédé comprend une étape préalable de conditionnement des graines, au cours de laquelle :
- les graines sont décortiquées puis nettoyées au tamis vibrateur, les graines nettoyées sont séchées de sorte à réduire leur taux d'humidité à moins de 0,5% en poids.
Les graines séchées sont introduites dans un réacteur avec de l'alcool anhydre ; ce mélange hétérogène est transformé en une suspension homogène au moyen d'un agitateur. Ce n'est qu'à ce moment qu'un catalyseur basique est introduit dans le réacteur. Ce mélange de réaction est ensuite chauffé pendant 30 à 90 minutes à une température de 30 à 78°C, conduisant à la transestérifîcation des triglycérides en esters avec un taux de conversion élevé, compris entre 98 et 100%. La Demanderesse a procédé à des tests suivant les conditions figurant dans l'unique exemple décrit dans ce document, mais n'a pas réussi à obtenir les mêmes résultats (voir exemple 5 et les figures 2 et 3 annexées). On ne peut donc considérer que cette technique est maîtrisée par l'homme du métier à présent.
Un procédé d'extraction sélective d'esters d'un acide hydroxylé est décrit dans la publication de Tassignon P. et al., Chem. Phys. Lipids 71 (1994), 187-196. Ce document décrit l'obtention de l'ester méthylique d'acide dimorphécolique par transestérifîcation de l'huile brute extraite de graines de Dimorphotheca pluvialis en présence de méthanol et d'un catalyseur basique. La réaction de transesérifîcation est suivie d'une étape d'extraction au moyen de mélanges méthanol aqueux/hexane (1 :1) ou acétonitrile/hexane. Les données présentées dans le Tableau 1 montrent que la séparation au moyen de mélanges méthanol aqueux/hexane est meilleure que celle réalisée au moyen d'un mélange acétonitrile/hexane. Ce procédé demeure très laborieux, une séparation efficace nécessitant 4 entonnoirs et 14 étages de séparation des mélanges biphasiques. De plus, les extractions liquide- liquide décrites dans le paragraphe 2.12 exigent la consommation d'une grande quantité de solvants : 1970 ml d'hexane et 3360 ml de solution de méthanol sont nécessaires pour traiter 70,3 g d'ester méthylique et récupérer 37,2 g d'huile contenant 95% d'ester méthylique d'acide dimorphécolique. De telles quantités de solvant ne sont pas compatibles avec une application à l'échelle industrielle du procédé d'extraction sélective décrit.
La présente invention se propose de remédier à ces inconvénients au moyen d'un procédé qui permet d'extraire sélectivement les esters d'acides gras fonctionnalisés. Par « acide gras fonctionnalisé » on entend dans le cadre de l'invention tout acide gras portant notamment une ou plusieurs fonctions alcool ou une fonction époxyde.
Un objet de l'invention est donc de permettre l'obtention d'une fraction enrichie en esters d'acides gras fonctionnalisés, notamment hydroxylés, ladite fraction convenant en particulier à une utilisation comme matière première dans la synthèse de produits chimiques intermédiaires tels que l'acide 11-amino undécanoïque. Un autre objet de l'invention consiste à obtenir ces esters d'acides gras fonctionnalisés directement à partir de graines oléagineuses avec des rendements élevés, de sorte à réduire leur coût de fabrication.
La présente invention concerne un procédé d'extraction sélective d'esters d'acides gras fonctionnalisés à partir de graines de plantes oléagineuses comprenant : a) au moins une étape d'extraction des esters d'acides gras consistant en l'introduction simultanée dans un réacteur contenant lesdites graines, d'un alcool léger anhydre, d'un catalyseur basique et d'un solvant d'extraction non miscible avec ledit alcool léger et dans lequel ledit ester d'acide gras fonctionnalisé n'est pas soluble, conduisant à l'obtention d'un mélange d'esters et de glycérol, et b) au moins une étape d'extraction sélective des esters d'acides gras hydroxylés par introduction dans le réacteur dudit solvant d'extraction à contre-courant de l'alcool léger, conduisant à l'obtention d'une phase alcool enrichie en esters d'acides gras d'une phase glycérol et d'un tourteau.
Ce procédé permet d'obtenir une fraction concentrée en esters d'acides gras fonctionnalisés, hydroxylés ou époxydés, d'une phase solvant contenant les autres esters d'acides gras non fonctionnalisés, directement à partir des graines de plantes oléagineuses. Les esters d'acide gras fonctionnalisés visés dans le cadre de l'invention sont des esters notamment d'origine végétale, contenant majoritairement des triglycérides d'acides gras. La teneur totale en acides gras fonctionnalisés dans l'huile contenant ces esters doit être d'au moins 10% en poids.
Les plantes oléagineuses sont cultivées spécifiquement pour leurs graines ou leurs fruits oléifères riches en matières grasses dont on extrait de l'huile à usage alimentaire, énergétique ou industriel. Les plantes protéagineuses appartiennent au groupe botanique des légumineuses dont les graines sont riches en protéines. Les plantes oléo-protéagineuses sont des légumineuses dont les graines contiennent aussi de l'huile.
Par « graines de plantes oléagineuses » on entend dans le cadre de la présente invention notamment des graines de plantes de ricin, seules ou en mélange avec des graines provenant d'au moins une autre plante oléagineuse, oléo-protéagineuse ou protéagineuse, les graines ou le mélange de graines produisant une huile contenant au moins 10% en poids d'acide ricinoléique. On ne sortirait pas du cadre de l'invention lorsque les graines mises en œuvre dans le procédé selon l'invention proviennent en tout ou partie de plantes génétiquement modifiées produisant de l'acide ricinoléique, seules ou en mélange avec des plantes oléagineuses éventuellement génétiquement modifiées.
D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description détaillée du procédé d'extraction sélective selon l'invention qui va suivre et de la figure 1 annexée, représentant de manière schématique le procédé d'extraction sélective d'esters d'acides gras hydroxylés selon l'invention, dans une variante de réalisation comportant 5 étages de réaction.
L'objet de la présente invention est de fournir un procédé permettant de concentrer en ester d'acide gras hydroxylé une fraction résultant de la transestérification effectuée directement sur les graines d'oléagineux. Lorsqu'on part de graines de ricin seules ou en mélange (comme indiqué plus haut), le but est d'obtenir une fraction enrichie en ester d'acide ricinoléique.
Il a maintenant été trouvé qu'un ester d'acide gras fonctionnalisé, hydroxylé ou époxydé, peut être extrait sélectivement au moyen d'un procédé mettant en œuvre un mélange réactionnel comportant un alcool léger anhydre, d'un catalyseur basique et d'un solvant d'extraction non miscible avec ledit alcool léger et dans lequel ledit ester d'acide gras fonctionnalisé n'est pas soluble. Avantageusement, ledit solvant d'extraction est introduit à contre-courant de l'alcool léger, provoquant simultanément un phénomène d'extraction des esters non fonctionnalisés dans la coupe (ou phase) solvant, et donc un enrichissement en ester(s) fonctionnalisé(s) dans la coupe alcool.
Il est certes connu d'utiliser des solvants pour faciliter la réaction de transestérification, car dans le cas des huiles végétales non hydroxylées, le méthanol n'est pas soluble dans l'huile, ce qui ralentit fortement la réaction de transestérification. L'ajout d'un cosolvant va favoriser ici l'homogénéisation du milieu de réaction, aidant les esters d'acide gras à devenir plus solubles dans l'alcool. Cependant, dans ce cas, le glycérol n'est pas non plus soluble dans l'ester méthylique de l'huile végétale et se sépare donc plus spontanément. La publication « The Biodiesel Handbook », éd. G. Knothe, J. Van Gerpen et J. Krahl, AOCS Press 2005 décrit l'ajout de cosolvants tels que le tétrahydrofurane (THF) ou le méthyl-tertiobutyl-éther (MTBE) pour accélérer la méthanolyse d'huiles végétales (chapitre 4.1, page 6). Cependant, les rapports molaires alcool :huile ainsi que d'autres paramètres se trouvent affectés par cet ajout de cosolvants.
Le solvant est choisi dans ce cas pour être récupéré et a par conséquent un point d'ébullition assez bas pour pourvoir être distillé.
Dans le cas des huiles riches en acides fonctionnalisés, comme l'huile de ricin, de lesquerella ou de dimorphética, le méthanol est soluble dans l'huile. L'ajout d'un solvant organique (cosolvant) va favoriser ici l'obtention d'un milieu hétérogène, afin d'inciter les esters d'acides gras non fonctionnalisés à passer dans la phase non- alcoolique et les esters d'acides gras fonctionnalisés à rester dans la phase alcoolique.
Le procédé selon l'invention vise donc à provoquer une séparation de phases afin d'enrichir la phase alcoolique en ester d'acides gras fonctionnalisés et la phase solvant en ester d'acides gras non- fonctionnalisés.
Le procédé d'extraction sélective de ou d'esters d'acides gras fonctionnalisés à partir de graines de plantes oléagineuses comprend : a) au moins une étape d'extraction des esters d'acides gras consistant en l'introduction simultanée dans un réacteur contenant lesdites graines, d'un alcool léger anhydre, d'un catalyseur basique et d'un solvant d'extraction non miscible avec ledit alcool léger et dans lequel ledit ester d'acide gras hydroxylé n'est pas soluble, conduisant à l'obtention d'un mélange d'esters et de glycérol, et b) au moins une étape d'extraction sélective de ou des esters d'acides gras fonctionnalisés par introduction dans le réacteur dudit solvant d'extraction à contre-courant de l'alcool léger, conduisant à l'obtention d'une phase alcool enrichie en esters d'acides gras fonctionnalisés, d'une phase solvant contenant les autres esters d'acides gras non fonctionnalisés, d'une phase glycérol et d'un tourteau.
Selon un mode de réalisation, les plantes oléagineuses sont des plantes de ricin, et l'ester d'acide gras hydroxylé est l'ester d'acide ricinoléique.
Il est souhaitable que les graines mises en œuvre dans le procédé selon l'invention aient un taux d'acidité inférieur à 2 mg KOH/g. En effet, de taux plus élevés en acides gras libres dans la graine utilisée comme matière première conduisent à la formation de savons en milieu basique.
Dans une variante de réalisation, les graines subissent au préalable un conditionnement comprenant une étape d'aplatissage et éventuellement une étape de séchage des graines aplaties. Ce conditionnement est effectué sur les graines entières. Il comprend une première opération d'aplatissage des graines, suivie facultativement d'une opération de séchage des graines aplaties.
L'objectif du conditionnement de la graine est de rendre l'huile la plus accessible possible à l'alcool, sans toutefois trop altérer sa résistance mécanique. Ceci évite la formation d'une pâte et des fines, respectivement préjudiciables à la mise en œuvre d'un procédé continu et à la purification finale des esters produits. Par ailleurs, la graine conditionnée doit permettre un passage aisé du fluide réactionnel (mélange alcool - catalyseur basique) selon un simple phénomène de percolation.
Selon une variante de réalisation, les graines fraîches sont aplaties sur un aplatisseur mécanique à rouleaux lisses ou cannelés.
Les graines ainsi aplaties peuvent être séchées, par exemple dans une étuve ventilée thermorégulée ou dans un séchoir continu à bande ou rotatif à air chaud. La durée de séchage et la température sont choisies en sorte d'obtenir une diminution de l'humidité des graines à des valeurs inférieures ou égales à 2% en poids. De préférence, le séchage est réalisé rapidement après aplatissage, en moins de une heure, de préférence après 5 à 10 minutes, à une température suffisante pour réduire le taux d'humidité des graines à 2% en poids ou moins.
L'humidité résiduelle de la graine est déterminée par thermogravimétrie. La graine est préalablement broyée, puis le broyât obtenu est séché à 1050C dans une thermobalance jusqu'à stabilisation du poids. La teneur en eau est exprimée en pourcentage de la matière brute.
Selon un autre mode de réalisation, les graines ne sont pas séchées après aplatissage. Ceci convient particulièrement pour les solvants d'extraction ayant une température d'ébullition élevée, tels que le kerdane, le gazole, le pétrole lampant (voir l'exemple 4.2). De manière surprenante, il a été constaté qu'en présence de ces solvants, l'eau restée dans la graine ne constitue pas un poison pour la réaction de transestérifïcation. Dans une variante préférée de réalisation, l'étape de conditionnement des graines comprend en outre une opération de préchauffage des graines, effectuée avant l'opération d'aplatissage. Cette opération de préchauffage confère à la graine une plus grande plasticité et donc un écrasement plus efficace lors de l'aplatissage (gain au niveau de la surface de contact, de la vitesse de percolation de l'alcool et donc de sa capacité extractive). Elle a lieu de préférence à une température inférieure ou égale à 1000C.
Les graines conditionnées ou non sont soumises selon le procédé de l'invention à une première étape d'extraction des esters d'acides gras, suivie d'une étape de séparation des esters d'acides gras hydroxylés. a) Etape d'extraction et de transestérifïcation (trituration réactive)
Les graines, éventuellement conditionnées comme décrit plus haut, sont mises en contact dans un réacteur avec un alcool léger anhydre, un catalyseur alcalin et un solvant d'extraction, dans des conditions de température, d'agitation et de durée suffisantes pour permettre l'extraction des triglycérides à partir des graines et la transestérifïcation desdits triglycérides, conduisant à l'obtention d'un mélange comprenant des esters d'acides gras et du glycérol, et d'un tourteau. Avantageusement, d'une part, le solvant d'extraction est non miscible avec ledit alcool léger et, d'autre part, ledit ester d'acide gras hydroxylé n'est pas ou peu soluble dans ce solvant. b) Etape d'extraction sélective de l'ester d'acide gras hydroxylé
Cette étape a lieu simultanément avec l'étape précédente, et consiste en l'introduction dans le réacteur dudit solvant d'extraction à contre-courant de l'alcool léger, conduisant à l'obtention d'une phase alcool enrichie en esters d'acides gras hydroxylés, d'une phase solvant contenant les autres esters d'acides gras non hydroxylés, d'une phase glycérol et d'un tourteau. Les différentes phases peuvent éventuellement être lavées, pour atteindre les caractéristiques techniques souhaitées.
Le procédé d'extraction sélective selon l'invention comprend au moins une étape a) d'extraction et de transestérifïcation et au moins une étape b) d'extraction sélective de l'ester ou des esters d'acide gras hydroxylé(s). De préférence, ces étapes sont répétées au moins deux fois. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend plusieurs étages consécutifs de réaction, avec soutirage de l'alcool, (éliminé par exemple partiellement par évaporation), séparation de la glycérine produite, réinjection d'alcool et poursuite de la trituration.
Dans le mode de réalisation illustré dans la figure 1 annexée, le procédé d'extraction est réalisé au moyen de cinq réacteurs consécutifs et comprend donc cinq étages d'extraction.
L'installation représentée dans cette figure comprend une série de cinq réacteurs montés en cascade. Les Graines (G) alimentent le Réacteur 1 (Rl). Du solvant frais est alimenté dans le même réacteur, ainsi que de l'alcool frais et de la solution alcoolique provenant de l'étage réactionnel suivant. On soutire de ce premier étage réactionnel, une fraction solide (graines partiellement extraites, Sl), et une fraction liquide. Cette dernière fraction est séparée en 3 composantes : une fraction glycérineuse, une fraction alcoolique, une fraction organique riche en solvant. La fraction solvant est dirigée vers le réacteur suivant. La fraction alcoolique est dirigée vers une unité de séparation (D3) par exemple par distillation pour extraire l'ester d'acide gras hydroxylé (EAH) et l'alcool qui est envoyé vers le stockage et en partie vers chaque étage réactionnel.
L'alcool étant consommé à chaque étage réactionnel, il est préférable d'en alimenter une partie à chaque étage afin de maintenir des ratios suffisants tout au long de la réaction.
La séparation des différentes fractions peut se faire de différentes façons, dont une centrifugation, décantation et/ou une distillation. Optionnellement, on neutralise le catalyseur avant l'étape de séparation de la phase glycérineuse de la phase alcoolique, et dans ce cas, on réinjecte du catalyseur à l'étage suivant.
A l'étage réactionnel suivant (R2), les graines partiellement converties sont mises en contact avec la coupe alcoolique provenant de l'étage suivant (R3), la fraction solvant de l'étage précédent (Rl), et éventuellement de l'alcool frais ainsi que du catalyseur. Comme à l'étage précédent, une séparation (S2) est effectuée sur la fraction liquide sortant du réacteur. La séparation de la fraction glycérineuse de la fraction alcoolique est optionnelle, et ne nécessite pas d'être effectuée à tous les étages de réaction.
Au dernier étage de réaction (R5), on alimente le réacteur avec de l'alcool frais, et on soutire un tourteau humide (T) qui est séché pour récupérer l'alcool. La fraction solvant est isolée est dirigée vers une unité de séparation (D2) par exemple par distillation pour séparer le solvant qui est recyclé et l'ester d'huile végétale (EHV).
Les fractions glycérineuses sont collectées, et distillées pour récupérer la fraction alcool qui s'y est dissoute.
Un procédé de ce type est opéré à contre-courant d'alcool et à co-courant de solvant, ce qui permet d'isoler des fractions enrichies en EAH d'une part et appauvries d'autre part.
Dans une variante du procédé (non représentée), les graines sont introduites au réacteur 2, le réacteur 1 servant alors de finisseur afin d'améliorer la séparation dans les phases solvant et alcoolique.
De préférence les unités de séparation Dl, D2, D3 utilisent des technologies de pompe à chaleur, par exemple par recompression mécanique des vapeurs, ou par une pompe à chaleur externe.
L'alcool léger utilisé est un alcool aliphatique inférieur tel que le méthanol, l'éthanol, l'isopropanol et le n-propanol et de préférence est le méthanol.
Le catalyseur basique mis en œuvre dans le procédé est choisi dans le groupe: soude, soude alcoolique, soude solide, potasse, potasse alcoolique, potasse solide, méthylate de sodium ou de potassium, éthylate de sodium ou de potassium, propylate de sodium et de potassium, isopropylate de sodium et de potassium.
Comme solvants d'extraction on peut citer : l'hexane, l'heptane, le benzène, le bicyclohexyle, le cyclohexane, la décaline, le décane, hexane (Texsolve C), le kérosène, le kerdane, le gazole, le pétrole lampant, Méthylcyclohexane, le Texsolve S ou S-66, Naphta (Texsolve V), Skellite, le Tetradécane, le Texsolve (B, C, H, S, S-2, S-66, S- LO, V), le CO2 supercritique, le propane ou le butane pressurisés, les solvants naturels tels que les terpènes (limonène, alpha et béta pinène, etc). De préférence, le solvant d'extraction a une température d'ébullition élevée, supérieure à 1000C ou mieux à 2000C, par exemple comprise entre 200 et 3500C.
L'ester d'acide ricinoléique ainsi obtenu est destiné notamment à la préparation d'acide 11-amino undécanoïque, suivant l'enchaînement suivant de réactions : pyrolyse ou craquage de l'ester notamment méthylique de l'acide ricinoléique, conduisant à l'obtention d'heptanal et d'undécylénate de méthyle ; hydrolyse de l'undécylénate de méthyle conduisant à l'obtention d'acide undécylénique ; hydrobromuration de l'acide undécylénique conduisant à l'obtention de l'acide 11-bromoundécanoïque, et animation de l'acide 11-bromoundécanoïque conduisant à l'obtention de l'acide 11-amino undécanoïque.
Dans une variante de réalisation, l'ester d'acide ricinoléique issu du procédé selon l'invention peut avantageusement être directement utilisé dans la synthèse d'acide 11-amino undécanoïque. Lorsque l'ester d'acide ricinoléique n'est pas suffisamment pur, une étape de purification supplémentaire peut être nécessaire, avant de le soumettre à la réaction de pyrolyse.
L'acide 11-amino undécanoïque ainsi obtenu est destiné principalement à la synthèse par condensation de polyamide 11 ou Rilsan® 11.
Les esters d'acides non fonctionnalisés obtenus par le procédé selon l'invention peuvent être utilisés comme biodiesel. Dans ce cas, il pourrait être avantageux d'utiliser comme solvant d'extraction directement une coupe hydrocarbure, par exemple du gazole ou du kérosène.
Le procédé d'extraction sélective selon l'invention présente de multiples avantages. Le procédé selon l'invention permet de résoudre simultanément de nombreux problèmes liés à la transestérifîcation de l'huile de ricin. Ce procédé permet avantageusement de passer directement de la graine aux esters d'acides gras, notamment d'acide ricinoléique, en évitant les étapes de trituration, de raffinage, de purification et la production de sous-produits. Les esters d'acide ricinoléique obtenus par le procédé selon l'invention conviennent particulièrement à la préparation d'acide 11-amino undécanoïque, comme mentionné plus haut. Par ailleurs, le procédé conduit à l'obtention de tourteaux détoxifîés, qui peuvent être manipulés sans danger par l'homme et peuvent être utilisés dans l'alimentation animale sans risque d'empoisonnement pour les animaux.
Grâce à l'étape de conditionnement spécifique des graines, il est possible d'augmenter de la surface de contact pour une meilleure percolation du mélange alcool- catalyseur et donc une meilleure extraction des lipides et leur transformation consécutive en esters. Aucune imprégnation préalable des graines conditionnées n'est nécessaire. La fraction ester obtenue à partir du mélange comprenant des esters d'acides gras et du glycérol convient particulièrement à la fabrication d'acide 11-amino undécanoïque, monomère utilisé dans la synthèse de polyamide 11. Le fait de partir de graines entières permet :
- d'une part, de limiter fortement la formation de fines, en rendant plus faciles les étapes ultérieures de fïltration, et en limitant le risque allergique et toxique puisque les fines sèches ont tendance à se dissiper / disperser dans l'air ambiant ;
- et d'autre part, de maintenir une bonne tenue mécanique du lit de graines aplaties (qui formera le tourteau), propriété très intéressante si l'on souhaite mettre en oeuvre la réaction dans un mode continu.
L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture des exemples ci- après donnés à titre purement illustratif.
Exemple 1. Caractérisation de la graine de ricin
Trois lots de graines de ricin ont été évalués eu égard à leurs taux massiques de matières volatiles, matière grasse, leurs taux d'acidité de la matière grasse (exprimés en mg KOH/g) et leurs teneurs en ricine (exprimées en mg ricine/kg graines). Les résultats obtenus figurent dans le Tableau 1.
Figure imgf000014_0001
Tableau 1
Exemple 2. Conditionnement du flocon de graine de ricin
La graine de ricin issue des bogues de ricin - graine constituée d'une coque fibreuse contenant une amande elle-même recouverte d'une peau fine (cuticule) - est aplatie telle quelle (graine entière) à l'aide d'un aplatisseur à cylindres cannelés, selon un procédé de double aplatissage décrit dans le tableau 2. Cette opération est réalisée par un double passage dans l' aplatisseur en vue d'obtenir un pétale de graine de ricin. Après aplatissage, le pétale est séché dans une étuve ventilée sous courant d'air chaud à 1000C pendant 16 heures en vue d'atteindre une humidité résiduelle inférieure à 2%.
Figure imgf000015_0001
Tableau 2
Exemple 3. Essai de trituration réactive en présence d'un mélange de graines oléagineuses (selon l'étape a) du procédé selon l'invention)
Un essai a été réalisé à partir de mélanges de graines de ricin (lot 1) et de soja. Le lot de fèves de soja a été analysé. Les résultats obtenus figurent dans le Tableau 3.
Figure imgf000015_0002
Tableau 3
Ces résultats montrent que la graine de soja mise en œuvre est faiblement acide (IA<2 mg KOH/g) et conforme à la littérature relativement à sa teneur en lipides. Des essais de trituration réactive ont été réalisés sur la fève de soja isolée et en mélange avec les fèves de ricin (tableau 4).
Figure imgf000016_0001
* perte en esters = [masse d'esters théorique] - [masse d'esters produits] - [masse potentielle d'esters dans le tourteau maigre]
Tableau 4
Ces résultats présentés montrent que :
- la fève de soja isolée, simplement aplatie selon un processus de double-aplatissage, conduit à un rendement médiocre en esters méthyliques (39,2%). Le tourteau issu de cet essai est encore riche en huile ;
- en présence de pétales de graines de ricin (mélange 50/50), on constate que le rendement en esters méthyliques (52,3%) correspond environ à l'addition des rendements respectifs obtenus en présence des graines isolées (44% théorique) ; - en présence du mélange de pétales ricin-soja 10/90, le rendement en esters méthyliques (74%) est légèrement supérieur à celui des graines prises isolément (70% théorique).
L'ensemble de ces résultats montre qu'il techniquement possible d'obtenir un rendement appréciable en esters à partir d'un mélange de pétales de graines ricin/soja.
Les esters obtenus ont été analysés et les résultats obtenus sont montrés dans le tableau 5. Les valeurs entre parenthèses représentent le pourcentage théorique en acides gras.
Figure imgf000017_0001
Tableau 5 L'ensemble de ces résultats montre que :
- sur le plan qualitatif, l'ester méthylique de soja produit à parti des pétales de fèves isolées, est peu acide (IA<0,l). En revanche, il est riche en monoglycérides ce qui indique que la réaction de transestérifïcation n'est pas complète ;
- en présence de mélanges de pétales ricin-soja, il apparaît clairement que le pétale de ricin dont les lipides sont plus so lubies dans le méthanol que ceux du soja, est plus réactif dans le procédé de co-trituration que celui du soja isolé. En effet, les teneurs en ricinoléate de méthyle demeurent importantes puisqu'on observe un enrichissement notable en cet ester par rapport aux concentrations théoriques.
Exemple 4. Essais de trituration réactive en présence d'un cosolvant (étapes a) et b) du procédé selon l'invention)
Exemple 4.1. Essai en présence d'hexane et de pétales de graines de ricin
Un essai de trituration réactive a été réalisé en présence de pétales de graines de ricin, de méthanol et d'hexane en vue d'améliorer le rendement en esters (tableau 6) :
Figure imgf000018_0001
Tableau 6
** perte en esters = [masse d'esters théorique] - [masse d'esters produits] - [masse potentielle d'esters dans le tourteau maigre]
Ces résultats montrent qu'en présence d'hexane, le rendement en esters est nettement amélioré (79,3 → 84,3%), alors même que la température de réaction a été diminuée de 100C par rapport à l'essai en absence d'hexane. Ce résultat est en partie lié à un meilleur épuisement du tourteau puisque moins de 5 points de rendement en esters sont perdus à ce stade. L'ajout d'hexane se traduit aussi par un impact positif sur le rendement en glycérine qui diminue indiquant que cette dernière est moins chargée en matière grasse et en fractions végétales plus solubles dans le méthanol (phospho lipides, hydrates de carbone, protéines). L'ajout d'un co-solvant améliore le rendement en esters.
Les esters obtenus ont été analysés et les résultats obtenus sont montrés dans le tableau
7.
Figure imgf000019_0001
Tableau 7
L'ensemble de ces résultats montre que, sur le plan qualitatif, la teneur en ricinoléate de méthyle est plus élevée en présence d'hexane. La présence d'hexane a un fort impact sur la teneur finale en monoglycérides laquelle décroît en présence d'un co-solvant de type hydrocarbure. Les acidités finales des esters sont en revanche peu impactées par la présence ou l'absence d'hexane.
Exemple 4.2. Essai en présence d'un solvant hydrocarbure non miscible dans le méthanol
Un essai de trituration réactive des graines de ricin (lot 3) a été réalisé en présence d'un solvant insoluble avec le méthanol, le Kerdane® fourni par la société ONYX, une coupe hydrocarbure combustible plus lourde que l'hexane. Dans le cadre de cet essai, les graines de ricin n'ont pas été séchées après aplatissage. L'objectif de cet essai est d'obtenir d'une part une coupe enrichie en ricinoléate de méthyle et d'autre part, une coupe enrichie en esters méthyliques non hydroxylés pouvant être utilisée telle quelle comme combustible ou carburant diesel (biodiesel). Il s'agit donc de réaliser en une seule étape à partir des graines de ricin 1) la préparation d'un ester concentré en ricinoléate de méthyle, 2) une coupe combustible enrichie en esters gras non hydroxylé proche d'un diesel additivé, 3) de la glycérine et un tourteau délipidé.
L'étape de trituration réactive est réalisée en présence d'un mélange méthanol- Kerdane®-soude (rapport massique 1/1/0,003) et de pétales de graine de ricin non séchés après aplatissage.
Après récupération du 1er miscella, ce dernier est décanté. La phase légère riche en
Kerdane® et séparée de la phase lourde méthanolique, puis mélangée avec du méthanol hydraté à 98% dans un rapport massique de 1/1. Ce nouveau mélange biphasique est envoyé sur le lit de pétale de graine de ricin pour produire un second miscella. Ce dernier est à nouveau décanté : la phase lourde méthanolique est regroupée avec la lere phase méthanolique.
La seconde phase légère est à nouveau mélangée à du méthanol à 98% toujours dans un rapport massique 1/1 pour être envoyée à son tour sur le lit de pétale. Le troisième miscella récupéré est à alors décanté. La phase méthanolique rejoint le pool des phases lourdes, alors que la phase Kerdane® est comme précédemment à nouveau envoyée sur le lit de pétale après avoir été mixé à du méthanol 98% (rapport massique 1/1).
Le quatrième miscella obtenu est décanté puis stocké alors que la phase lourde rejoint le pool des phases méthanoliques.
Le lit de pétale est enfin lavé par du méthanol hydraté à 98% dans un rapport massique méthanol/pétale de 1/1. L'ensemble des miscella méthanoliques rejoint le pool des phases lourdes, lequel sera traité pour en extraire les esters gras purifiés.
Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau 8.
Cet essai confirme que l'utilisation d'un co-solvant hydrocarbure non miscible au méthanol permet d'extraire avec un rendement global élevé les esters méthyliques ( 81,1
+ 16,6 = 97,7 %). En particulier, le ricinoléate de méthyle est extrait avec un rendement élevé (83,6%). On constate qu'en présence de Kerdane, l'eau n'est pas un poison de la réaction de transestérifîcation. De même, l'emploi d'un co-solvant non miscible avec le méthanol permet d'extraire avec une bonne sélectivité les esters gras non hydroxylés, lesquels se retrouvent concentrés dans la phase légère. Le faible rendement en glycérine ainsi que la faible teneur du tourteau en lipides résiduels indiquent une transformation effective de la matière grasse en esters. Enfin, l'utilisation de Kerdane® permet l'obtention directe d'une coupe diesel additivée à 10% en esters méthyliques.
Figure imgf000021_0001
** perte en esters = [masse d'esters théorique] - [masse d'esters produits] - [masse potentielle d'esters dans le tourteau maigre]
(1) quantité engagée en trituration réactive c'est-à-dire lors du premier passage sur le lit de pétale de graine de ricin
Tableau 8 Les esters obtenus ont été analysés et les résultats obtenus sont montrés dans le tableau 9.
Figure imgf000022_0001
Nd - produit non détecté
Tableau 9
L'ensemble de ces résultats montre que :
- sur le plan qualitatif, les esters issus de la phase lourde méthanolique sont enrichis en ricinoléate de méthyle (93,3%), pauvres en monoglycérides et très peu acides (IA = 0,15 mg KOH/g) et inversement appauvris en esters non hydroxylés ;
- les esters de la phase légère sont appauvris en acide ricinoléique et riches en acides gras non hydroxylés par rapport à l'huile préalablement contenue dans la graine de ricin. Leur teneur résiduelle en monoglycérides demeure faible.
- le procédé peut être aisément amélioré en engageant moins ou pas de Kerdane® au cours des étapes de lavage du lit de pétales ce qui aura pour effet de limiter la teneur en ricinoléate de méthyle dans la phase légère.
Exemple comparatif 5. Procédé PETROBRAS d'obtention d'esters d'acides gras selon US 7.112.229. Les caractéristiques des réactifs et de la graine mise en œuvre dans l'essai sont présentées dans les tableaux 10 et 11.
Figure imgf000023_0001
Tableau 10
Figure imgf000023_0002
Tableau 11
L'essai a été reproduit tel que décrit dans le document US 7.112.229. En tant que catalyseur a été utilisé de l'éthylate de sodium à 96%. Aussi, le titre en ethylate n'étant pas indiqué, il a été considéré que le schéma de procédé illustré à la figure 1 de ce document exprimait une valeur en équivalent ethylate, soit 40 g. De même, l'essai a été reproduit en présence d'une graine séchée à 0,5% d'humidité.
Les figures 2 et 3 annexées et le tableau 12 présentent les bilans matières obtenus. La figure 1 présente le bilan selon le document US 7.112.229. La figure 2 présente le bilan selon l'exemple comparatif 5.
Les figures 2 et 3 et le tableau 12 mettent en évidence un écart très important sur les masses de produits et de coproduits circulants. A titre d'exemple : + 250% d'éthanol récupéré dans le tourteau, - 100% d'ester éthylique et de glycérine puisque aucun de ces 2 produits cibles n'est récupéré, - 40% d'extrait sec dans le miscella. L'extrait sec du miscella est monophasique et liquoreux (plus visqueux qu'un ester éthylique). Aucune décantation de glycérine n'est obtenue.
Figure imgf000024_0001
Tableau 12
Une analyse plus poussée de l'extrait sec du miscella a été réalisée en déterminant sa teneur en ester éthylique et en glycérides (par CPG) ainsi que la teneur en cendres (le taux de cendres permet de quantifier la quantité de sodium présent sous forme de sels, de savons et de catalyseur non consommé). Nous avons obtenu les résultats suivants :
- Esters éthyliques : non détecté
- Triglycérides : 100% Diglycérides : non détecté Monoglycérides : non détecté
- Cendres : 0,4%.
L'extrait sec du miscella n'est constitué au plan lipidique que de triglycérides non transformés en esters. La teneur en cendres indique que le sodium est faiblement présent dans le miscella et non sous forme de savons comme on pouvait le supposer. Le sodium doit probablement être piégé dans le tourteau. Enfin, l'analyse chromatographique n'a pas détecté la présence d'esters.
En conclusion, il apparaît donc que le procédé décrit dans le document US 2005/0011112 ne produit pas d'ester éthylique d'acide ricinoléique.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'extraction sélective de ou d'esters d'acides gras fonctionnalisés à partir de graines de plantes oléagineuses comprenant : a. au moins une étape d'extraction des esters d'acides gras consistant en l'introduction simultanée dans un réacteur contenant lesdites graines, d'un alcool léger anhydre, d'un catalyseur basique et d'un solvant d'extraction non miscible avec ledit alcool léger et dans lequel ledit ester d'acide gras fonctionnalisé n'est pas soluble, conduisant à l'obtention d'un mélange d'esters et de glycérol, et b. au moins une étape d'extraction sélective des esters d'acides gras fonctionnalisés par introduction dans le réacteur dudit solvant d'extraction à contre-courant de l'alcool léger, conduisant à l'obtention d'une phase alcool enrichie en esters d'acides gras fonctionnalisés, d'une phase solvant contenant les autres esters d'acides gras non fonctionnalisés, d'une phase glycérol et d'un tourteau.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'alcool léger est le méthanol.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2 dans lequel le catalyseur alcalin est la soude.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le solvant d'extraction est l'hexane.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 comprenant au moins deux étages d'extraction.
6. Procédé selon la revendication 5 comprenant 5 étages d'extraction.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 comprenant en outre une étape de conditionnement des graines réalisée au préalable, ladite étape de conditionnement comprenant une première opération d'aplatissage des graines, suivie d'une opération de séchage des graines aplaties.
8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel l'étape de conditionnement des graines comprend en outre une opération de préchauffage des graines à une température inférieure ou égale à 1000C, effectuée avant l'opération d'aplatissage.
9. Procédé selon l'une des revendications 7 et 8 dans lequel l'opération de séchage de graines aplaties est réalisée rapidement après aplatissage, en moins de une heure, de préférence après 5 à 10 minutes, à une température suffisante pour réduire le taux d'humidité des graines à 2% en poids ou moins.
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9 dans lequel l'ester d'acide gras fonctionnalisé est un ester d'acide gras hydroxylé.
11. Procédé selon la revendication 10 dans lequel lesdites graines sont des graines de ricin et ledit ester d'acide gras hydroxylé est l'ester ricinoléique.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 dans lequel ladite phase alcool enrichie en esters d'acides gras hydroxylés est soumise à une succession de réactions chimiques conduisant à l'obtention d'acide 11-amino undécanoïque.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 dans lequel ledit solvant d'extraction étant le gazole, le kerdane ou le kérosène, ladite phase alcool appauvrie en esters d'acides gras hydroxylés est utilisée comme biodiesel.
14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9 dans lequel l'ester d'acide gras fonctionnalisé est un ester d'acide gras époxydé.
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